國內陸上“兩寬一高”地震勘探技術及發展

寧宏曉,唐東磊,皮紅梅,唐傳章,唐海忠,張艷紅

(1.中國石油集團東方地球物理責任有限公司,河北涿州072750;2.中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司,河北任丘062552;3.中國石油天然氣股份有限公司玉門油田分公司,甘肅酒泉735019)

21世紀以來,我國陸上油氣勘探的重點迅速向復雜構造、地層巖性、碳酸鹽巖和非常規儲層4個領域轉移[1-2]。地震勘探技術面臨三方面的突出難題:一是儲層薄而破碎,微小斷裂發育,對地震資料的縱向、橫向分辨率要求越來越高;二是地表類型日趨復雜,包括山地、沙漠、黃土塬、城區、水網區、油田開發設施分布區等,構成了地震數據采集工程實施的巨大障礙,同時又產生能量很強的干擾源,提高地震資料信噪比的難度越來越大;三是地層、巖性和斷塊油氣藏的勘探目標不斷受到重視,對地震資料的保真度提出了更高要求[1-3]。針對這些難題及其技術需求,近年來在學習國外物探新方法的基礎上,國內逐步發展和推廣應用了“兩寬一高”(寬方位、寬頻帶和高密度)地震勘探技術。通過該項技術的應用,國內多個工區的地震資料品質有了大幅度提升[4-5]。

與傳統的三維地震勘探技術相比,“兩寬一高”地震勘探技術具有更寬的接收方位角、更寬的信號頻帶和更高的激發接收密度,即在野外采用更寬頻帶、單點(或小組合)激發和接收,對地震波場進行密集空間采樣和寬方位或全方位觀測,在室內通過后續的信號處理較好地解決噪聲壓制的難題,利用地震數據的“兩寬一高”的特點在疊前偏移成像時提高資料的信噪比、分辨率和保真度[4,6]。經過十幾年的發展,“兩寬一高”地震勘探技術成為一種綜合性的地震采集、處理、解釋技術系統,主要包括了地震勘探采集方法設計、寬頻激發和接收設備、野外高效采集的工業化實現[7]、室內資料處理與資料綜合研究等配套技術系列。近十年來國內的陸上“兩寬一高”地震勘探技術得到了廣泛的推廣應用,在多個工區取得了很好的勘探效果[4]。

1 技術方法

“兩寬一高”地震數據采集觀測系統基于充分、均勻、對稱采樣的理念,趨向于使用寬頻、單點的激發和接收、全方位、高密度、線點距相等的地震觀測系統,以得到高信噪比、高分辨率和高保真的地震成像結果。

1.1 寬頻激發和接收

為了提高地震資料的分辨率,野外地震資料采集盡量采用單點激發和接收。為了拓寬地震資料頻帶,趨向于采用比以往更寬頻帶的激發和接收。寬頻激發的需求推動了可控震源技術的快速發展,特別是近幾年研制和發展了低頻可控震源(LFV3)以及高精度可控震源(EV56)等,它們實現了可控震源的寬頻激發,在低頻段激發頻率從以往的6～8Hz拓展到了1.5Hz,高頻段也從以往的70～90Hz提高到了160Hz,實現了超過6個倍頻程的寬頻激發。可控震源技術的發展為“兩寬一高”的寬頻激發提供了保障[5,8-9]。在實現寬頻激發的同時,寬頻檢波器技術也發展迅速。模擬檢波器在寬頻、高靈敏度、高精度等方面有新的進展,數字檢波器在低噪聲、低功耗、低成本、小體積等方面有新的突破。單只的高精度模擬檢波器(節點檢波器)得到了高度重視,少數探區已經實現了節點檢波器單點接收的全面應用,大多數探區都在積極探索節點檢波器的應用技術[10]。

1.2 地震采集觀測系統設計

在地震波場“充分、均勻、對稱”空間采樣理念的指導下,兼顧技術的經濟性,通過大量實際資料試驗分析和實踐驗證,形成了一些行之有效的觀測系統關鍵參數的設計方法。

1.2.1 相干噪聲無假頻檢波

在高密度地震數據采集時,要求野外采用較小面元觀測,保證地震有效波場和噪聲波場進行充分采樣,從而達到在室內地震數據處理時實現信噪較好分離,最大限度地壓制噪聲、保護有效波的目的。但是,要想對噪聲波場充分采樣,必須選取很小的空間采樣間隔(道距或面元),這需要很高的勘探成本。為了節約成本,在實際生產中采用了相干噪聲無假頻檢波技術。相干噪聲無假頻檢波是采用合適大小的檢波點間距使相干噪聲f-k譜與有效波期望頻率范圍在波數域不發生混疊。也就是說,設計的檢波點間距(或者說面元)可以稍微大一些,大到相干噪聲可以產生空間假頻,但相干噪聲產生的空間假頻在f-k譜與有效波的f-k譜不重疊。這樣在室內處理時比較容易去除相干噪聲,而不傷害有效信號[11-12]。

1.2.2 基于波動照明分析的觀測系統優化

地震照明分析是定量描述反射地震探測能力的一種有效方法。基于地震波動方程的“雙向照明”分析可以靈活地在特定的正演模型條件下生成三維地下照明能量數據體,這種照明能量數據體可以是單炮某種特定接收排列的,也可以是三維工區某個觀測系統子集的。通過分析照明能量數據體,可以在地表特定區域加密或抽稀激發和接收提高地下照明的均勻性,也可以經濟地選擇橫向、縱向炮檢距等觀測系統參數,實現優化觀測系統的目的。

1.2.3 基于原始單炮信噪比的覆蓋密度設計

覆蓋密度是評價“兩寬一高”三維地震勘探觀測系統的重要參數,相對于以往的覆蓋次數設計,“兩寬一高”在強調覆蓋次數設計的同時更加強調單位面積的地震道量即覆蓋密度的概念。

覆蓋次數是指CMP面元內按炮檢中心點統計的地震道數,而覆蓋密度是指單位面積內的按炮檢中心點統計的地震道數(一般以每平方公里計)。討論覆蓋次數的大小和均勻性實際是以疊加成像和疊后偏移成像為目的。覆蓋次數與CMP面元直接相關,同樣的采集密度處理面元不同覆蓋次數就不同,橫向對比時需要說明面元大小,否則易混淆。而覆蓋密度是單位面積內的地震道數,不會混淆。現代地震勘探采集處理都以改善疊前深度偏移成像為目的,決定成像質量最主要的采集因素是覆蓋密度和單道信噪比。

如果認為地震數據在疊加成像時干擾波表現為“隨機干擾”的特性,將按照統計特性來壓制干擾波。疊加剖面的信噪比等于覆蓋次數的平方根與疊前數據信噪比的乘積。疊前偏移可以理解為偏移孔徑內的地震道依據波場傳播規律或者說旅行時重新排列后的疊加。如果認為在速度場準確時有效波都得到準確歸位、干擾波表現“隨機干擾”特性,那么疊前偏移剖面的信噪比正比于偏移孔徑內的地震道數的平方根。因為偏移孔徑內的地震道數就是覆蓋密度乘以偏移孔徑面積,所以疊前偏移剖面的信噪比正比于覆蓋密度的平方根。當地震采集任務確定以后,期望的剖面信噪比也隨之固定,可以根據當地的單炮信噪比計算需要的覆蓋密度[1,13]。實際工作中疊加剖面或者單炮記錄的信噪比很難準確求出。依據統計性原理疊前偏移剖面的信噪比正比于覆蓋密度的平方根,在采集設計中,可以依據老地震資料或者借鑒類似工區的地震資料,確定疊前偏移剖面或疊加剖面信噪比需要提高的倍數,從而確定覆蓋密度參數。

1.2.4 基于疊前偏移子波均勻性的觀測系統設計

陸上地震采集由于成本的原因,往往難以達到均勻、對稱采樣的要求,例如排列的橫縱比往往小于1.0、炮點線距明顯大于炮點間距、檢波線距明顯大于檢波點距等,這種空間采樣的不均勻性通常表現為疊加剖面或偏移剖面的振幅切片上出現條帶狀痕跡,也稱為“采集腳印”。通過研究偏移子波的均勻性,在三維正演模擬數據上對地震觀測系統的均勻性作出評價,可為野外實際地震觀測系統設計提供參考依據[3]。

基于疊前偏移子波均勻性的觀測參數設計方法是對觀測系統的模擬疊前地震數據進行積分法疊前偏移,獲取每一個面元的模擬偏移子波,對其主瓣峰值(以下稱最大振幅)、旁瓣擾動能量(以下稱偏移噪聲)等特征值進行分析評價,從而為橫縱比(三維觀測系統橫向偏移距與縱向偏移距之比)、激發接收線距、點距等參數的選擇提供依據。

為了量化分析偏移子波特征與觀測系統屬性的關系,定義偏移成像質量的評價指標振幅離散度(δA)和偏移噪聲(Nm):

式中:Amax為最大振幅;Amin為最小振幅;Aa為平均振幅;Arms為噪聲的均方根振幅;Amain為信號主瓣振幅。δA、Amax、Amin和Aa均采用時間域振幅切片上的真值。

振幅離散度和偏移噪聲的橫向分布規律直觀地反映了采集觀測系統的均勻性。通過分析目的層段的振幅離散度和偏移噪聲平面圖,反過來優化觀測系統,以提高空間采樣的均勻性[3,8-9]。

1.3 高效采集技術

“兩寬一高”地震勘探技術的實施使得激發點數、接收點數呈數倍地增加,因而采集環節需要設備多、施工組織復雜、數據量大,相應的采集成本與常規三維相比也成倍上升,技術的經濟實用性受到巨大挑戰[5]。地震高效采集從技術上保障了“兩寬一高”經濟可行。

1.3.1 可控震源高效采集技術

20世紀末國外已在研究可控震源高效采集技術,先后推出了交替掃描(flip-flop sweep)和滑動掃描(slip sweep)等技術,實現了多組震源在時間序列上無縫銜接或部分重疊激發,從而提升了采集激發效率。隨著生產效率需求的提高,一些更加高效的可控震源激發方法被提出,如利用地震數據空間上的分布特點和差異,采用多空間位置的可控震源時間域重疊激發,來實現相對更加高效的可控震源激發等。

目前業界在綜合研究了多種高效采集技術的基礎上,發展并實現了可控震源動態掃描技術,即通過設計時間與空間的疊合關系——T-D關系曲線(圖1),將交替掃描、滑動掃描(等間隔滑掃和變間隔滑掃)和距離同步掃描(DSSS,即在震源距離足夠遠時采用同步掃描)3種掃描方式結合在一起應用,不再是以往的單一固定掃描方式,而是在3種掃描方式之間自動切換[5,14-15]。該技術突破了以往只考慮時間域或空間域的局限,同時考慮以時間換空間和以空間換時間的施工方法,既提高了效率,又最小化了高效采集帶來的噪聲影響,特別適用于我國三維勘探面積小、地表條件相對復雜的情況[10-11,13]。

圖1 可控震源動態掃描時間-距離關系曲線

1.3.2 炸藥震源高效采集技術

雖然可控震源高效采集技術發展迅速,但受陸上復雜地表條件的限制,井炮炸藥激發仍是很多工區采用的主要激發方式。因此,開發了一種適用于全地形的井炮高效采集技術系統,綜合應用北斗通訊技術、GPS授時技術、信號還原技術、時間槽控制技術等研制了包括北斗指揮系統(北斗指揮機、北斗接收機、爆炸組手持機)和獨立激發控制器等在內的新設備,實現了井炮的井口位置精確導航、爆炸機自主激發、儀器持續記錄等高效采集方法,可實現每6～8s激發一炮,大幅度提高了野外的作業效率[16-17]。

長期以來，全市合力，省市重視、理念制勝，形成了黨委領導、政府主導、部門聯動、全民參與、社會共建的工作機制，視造林綠化為一場綠色接力賽，堅持全社會辦林業，全民搞綠化，廣泛開展義務植樹活動，省市各單位、個人劃片包區、共同參與，掀起全社會植綠愛綠的高潮。

1.4 實時監控與管理技術

1.4.1 數字化作業指揮系統

高效采集技術投入施工設備多,同步作業區域范圍大、可控震源組數多、高效激發方式多樣,尤其在地表障礙物復雜區域,傳統的施工方式(炮點地面放樣、儀器操作人員通過電臺語聲指揮生產)已不能適應高效采集生產的需要。因此,要保持高效的野外生產組織,必須有一套高度自動化、簡單易操作的野外采集管理系統[16]。目前國內實施的高密度地震數據采集都使用了一套脫離了地震記錄系統的獨立的野外地震作業管理系統。這套系統以高速數據鏈系統為通訊載體實現了可控震源高效采集作業所需的智能導航、用戶定制高效激發、實時生產任務分配和管理等技術功能。該系統以可控震源導航、激發和作業管理為中心,涵蓋了野外地震采集生產的各個環節,避免了可控震源高效采集依賴地震記錄儀器且不能實時進行作業任務分配的技術缺點,具備管控30組以上可控震源協同作業能力,大幅降低了作業設備和人員的投入,縮短了待工時間,提高了生產效率,實現了數字化、智能化的可控震源高效作業管理[5,16-17]。

1.4.2 實時質量監控技術

隨著技術的發展,“兩寬一高”采集道數越來越多,在國內已經達到了5.0×104道/炮,國際上已經開始采用超過了1.0×105道/炮采集,每天的采集炮數超過萬炮,超大道數高效采集對數據質量實時質控提出了新挑戰。對海量數據的現場快速分析、對影響采集數據質量的關鍵因素進行實時質控是高效采集必須具備的關鍵技術。為此,研究和開發了地震采集實時質量監控技術和軟件。該技術通過網絡(有線和無線)連接地震記錄儀器及相關采集設備,實時獲取地震采集數據及相關裝備的狀態數據,通過對這些數據的自動分析,及時發現地震采集存在的質量問題,并主動提示操作人員進行補炮和設備更換等。主要的實時質量監控內容有：激發能量、頻率監控、輔助道監控、采集參數監控、噪聲道監控、掉排列監控、單炮初至時間監控等等。經過幾年的研究和應用,國內部分野外采集隊伍具備了2.0×105道采集實時質控能力,實現了對高效采集地震單炮數據質量、采集設備工作狀態的實時監控[17-18]。

1.5 針對性資料處理技術

“兩寬一高”地震數據含有豐富的波場信息,有利于提高復雜地質體的成像精度和對巖性油氣藏的識別準確性。但高效采集所特有的混疊噪聲的壓制、寬方位波場信息的處理與提取等都需要針對性的處理技術[18]。

可控震源高效采集的混疊噪聲主要有諧波干擾和鄰炮干擾兩類。這些噪聲使得單炮記錄信噪比很低。通過單個或組合應用模型法、濾波法、稀疏反演法等諧波干擾壓制技術可以有效壓制諧波干擾;通過變系數矢量中值濾波鄰炮干擾壓制技術可以有效壓制鄰炮干擾。通過針對性的壓制混疊噪聲可以大幅度提高地震資料的信噪比[19-22]。

為了保護、處理和提取寬方位波場信息也需要使用針對性的處理技術。高保真疊前五維數據規則化與插值技術,可以進一步提高數據空間采樣的均勻性以更好地滿足后續的疊前偏移成像的需求。使用OVT域疊前時間、深度偏移可以輸出含有“五維”信息的CRP道集。它在常規偏移后CRP道集的共中心點平面位置(In-line和Cross-line)、時間或深度、標量炮檢距4個維度信息基礎上,增加了方位角信息。增加方位角信息的五維CRP道集可用于方位各向異性分析、速度建模、裂縫預測、油氣檢測等[4,6],可以大幅度地增強地震勘探對隱蔽性油氣藏的探測能力。

2 應用效果及實例

2.1 技術應用情況

據不完全統計,截止2017年底,“兩寬一高”技術已經在國內外實施勘探項目369個,面積1.73×105km2。其中,國內實施項目294個,應用面積35894km2;國際實施項目121個,面積137207km2。

隨著該技術的推廣應用,國內三維地震采集的空間采樣密度持續提高。我們統計了2009—2017年國內西部探區45個三維項目的覆蓋密度和接收點檢波器組合個數的變化情況,結果如圖2所示,圖中紅色曲線為覆蓋密度統計曲線,可以看出,2009—2017年覆蓋密度存在逐漸升高的趨勢。2010年,主要覆蓋密度基本都在1.0×106道/km2以下,到了2017年已達到5.0×106道/km2以上。相應的接收點檢波器組合個數在下降,2010年基本在20個檢波器以上,2016—2017年開始出現單點檢波器接收的情況。從單個三維項目的接收道數看,隨著覆蓋密度的提高,地震隊配備的儀器地震道數也在快速增加,我們統計了2010—2017年國內西部探區的35個三維采集項目采集儀器配備道數如圖3所示。圖3中三維采集項目按施工先后從左到右排序,可以看出,在2013年之前地震隊配備的儀器道數一般不超過2.0×104道,到2017年后有的采集道數已經超過了6.0×104道。

圖2 國內2009—2017年45個三維采集項目覆蓋密度與檢波器個數統計

圖3 國內2010—2017年35個三維采集項目采集道數配備統計

2.2 應用實例

2.2.1 西部KLS地區三維地震采集

西部KLS地區三維工區處于青藏高原的北緣,是典型的逆沖斷裂發育背景下的復雜山地,地表最高海拔達到4580m。在該地區部署三維的目的是:①通過疊前時間和疊前深度偏移處理,分析確定KLS地區構造形態和各套地層展布狀況,查明KLS地區構造帶樣式,落實有利拓展目標;②通過處理技術攻關,改善大傾角地層的地震成像質量,使得逆沖斷裂成像清楚,資料信噪比得到提高,偏移歸位準確,小斷層清楚,各套目的層反射特征清楚,橫向可追蹤對比,以滿足構造解釋需求。

由于工區自然條件惡劣,地震地質條件苛刻,2002年完成的三維地震勘探試驗未能取得預期效果,后經多次論證,但一直未能實施新一輪三維地震勘探。隨著“兩寬一高”技術的發展,2017年在該區重新部署了三維地震勘探項目,通過實施井炮高效采集、節點儀器接收、高密度寬方位觀測等技術(觀測參數見表1),地震資料成像品質獲得極大提高(圖4)。從圖4可以看出,與以往普通三維資料相比,新采集的“兩寬一高”三維地震資料經過疊前偏移成像處理,南傾的逆沖斷層主斷面成像清晰,斷層下盤地層成像完整,基底反射信息較好,斷層夾片及下伏地層的成像也較清楚。

表1 KLS地區新、老三維地震采集參數對比

圖4 KLS地區復雜山前帶普通三維地震剖面(a)和“兩寬一高”三維地震剖面(b)

2.2.2 東部YSW地區三維地震采集

在我國東部的松遼盆地和渤海灣盆地大部分地區,深層勘探、潛山勘探、精細勘探已成為勘探的主要方向。2017年在廊坊和天津交界地區部署了超過300km2的地震勘探項目。該項目以落實YSW潛山和SCD潛山構造為主要目的,同時探索武清凹陷古近系巖性圈閉及河西務斷層上升盤多層系復雜斷塊構造。

地震采集人員通過實時、交互、仿真模擬施工過程優化、城鎮區節點與有線儀器聯合采集、可控震源與井炮聯合激發等多項技術的應用實現了在東部經濟發達地區的“兩寬一高”地震采集。本工區中農田村莊區CMP面元覆蓋次數可以到達500次以上,廊坊城區的CMP面元覆蓋次數超過1000次;SCD潛山橫縱比達到0.70,YSW潛山橫縱比達到0.88。該地區新、老三維采集的關鍵參數見表2。

圖5為YSW地區以往普通三維剖面和新采集的過廊坊城區的“兩寬一高”三維地震剖面。對比圖5a 和圖5b可以看出,新資料信噪比高,成像效果好,波組特征清楚,橫向分辨率高。

表2 廊坊地區新、老三維地震采集參數對比

圖5 YSW地區以往普通三維剖面(a)和“兩寬一高”三維剖面(b)

3 技術發展展望

3.1 節點檢波器采集技術

隨著“兩寬一高”技術的發展,單個項目投入的地震采集道數越來越多,一個三維項目投入(3～4)×104道已成為常態,有的甚至超過2.0×105道。隨著地震道數的增加,有線檢波器笨重、復雜地形鋪設困難、查線時間長、大道數排列易中斷等不足日益明顯,油公司和服務商都希望能采用更靈活、更輕便的檢波器。近年來,節點檢波器得到了快速發展,節點檢波器具有小巧輕便、可擴展性強、布設靈活、無等待時間等優點。節點檢波器不僅能獨立使用,還能和有線檢波器混合使用,投入應用后受到了用戶歡迎。隨著技術的日益成熟,節點檢波器所占的比例將會越來越高。多種檢波器聯合采集可能會成為未來幾年的主要趨勢[5]。

3.2 智能化技術應用

地震勘探與人工智能、機器人、現代通信等技術結合是新一代地震勘探技術的主要發展方向[1,10,16]。地震勘探在經歷了光點、模擬、數字化發展時代之后,可能要進入智能化時代,智能化地震勘探將具備以下特點:項目事前仿真;經營情況可準確預知;過程自動優化;核心裝備“機器人”化;裝備、人員、設備物資等全面實現互聯;作業工序的集成化和一體化等。該技術的應用將大大緩解“兩寬一高”采集技術的經濟困境,進一步提高地震采集的資料密度和施工效率。

3.3 超高效采集技術

“兩寬一高”三維地震采集技術需要采集大量的野外數據,根據以往經驗,覆蓋密度越高成像效果越好[1,5,10]。要想取得更好的成像結果,勢必會要求成像數據不斷增加,同時作為一項工程技術,又會受成本的約束。盡管最近幾年高效采集技術發展迅速,但仍然滿足不了勘探家對地震資料品質的期望和降低成本的要求。因此,超高效混疊采集一直是研究的一個重要方向[23]。經過近3年的研究和試驗,2017年成功實現了超高效混疊采集技術的工業化生產,該技術采用可控震源作為激發源,其采集效率相對于以往的滑動掃描、距離同步掃描等技術可以成倍提高。2018年該技術在阿曼實現了42826炮/天的陸上最高效率采集。

3.4 壓縮感知(CS)空間隨機采樣技術

壓縮感知理論(compressed sensing,CS)突破了傳統奈奎斯特-香農采樣定律的限制,僅用不完備(遠低于奈奎斯特-香農采樣率)的測量即可高精度地重構未知目標。該技術主要包括:隨機采集(炮點、檢波點的隨機分布)、目標的稀疏表達和稀疏約束優化重構算法[24]。簡單地說,就是通過隨機空間域的隨機采樣,可以在野外采集較少數據的情況下,通過數據重構實現與高密度采樣相接近的勘探效果。目前國際上及國內都有大批學者和機構在研究該項技術,甚至有部分油氣公司已經開始做采集試驗工作,國外已有公司開展了實際的資料采集試驗[25],國內中石油和中石化也開展了相關方法的研究和試驗。該項技術如果能走向工業化應用,將對減少野外采集工作量、提高成像精度等產生深遠影響。

4 結束語

由于配套技術系列的發展,相對于以往的常規地震勘探,國內陸上“兩寬一高”地震勘探技術通過更寬頻帶、單點或小組合激發和接收、寬方位觀測、更高密度激發和接收點布設,實現了對地震波場更加豐富、充分的采樣。可控震源及井炮高效采集技術的進步保障了該技術的經濟可行,切實推動了該項技術的推廣應用。配套的資料處理技術的發展提高了“兩寬一高”高效采集數據的信噪比、保真度和成像精度,在最終地震成像階段體現出了勘探效果。該項技術近年來發展和推廣應用很快,資料密度越來越高,地震成像資料品質大幅度提升。未來的地震資料采集將向更高密度、更高效率和智能化方向發展;地震資料處理解釋技術將圍繞提高高密度海量地震數據的處理效率、低信噪比數據的噪聲壓制、提高偏移成像精度和提取豐富的波場和地質信息等主題研究和發展。